Анализ состава навигационных систем для подвижных наземных объектов и принципов их построения

Обычно под термином навигационная система принято понимать совокупность приборов, алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих произвести ориентирование объекта в пространстве. Навигационные системы можно разделить на множество категорий в зависимости от назначения, объема получаемой навигационной информации и используемых методов навигации. Система навигации подвижных наземных объектов (ПНО) решает задачи определения координат местоположения, параметров движения и углов ориентации подвижного объекта и обеспечивает выдачу следующих данных: координаты местоположения в заданной системе координат, вектор скорости, углы ориентации (крен, курс, тангаж), вектор угловой скорости, вектор ускорения.

Точностные характеристики систем навигации для ПНО зависят от режима работы, состава данных систем и программного обеспечения применяемого для обработки информации.

Минимально необходимый набор датчиков, который обеспечивает пользователя базовой информацией о его местоположении, включает в себя курсовую систему магнитного или гироскопического типа и датчик скорости. Данный состав был широко распространен на начальных этапах построения навигационных систем. Основным недостатком такой компоновки навигационной системы является значительное увеличение погрешностей в определении местоположения с течением времени, поэтому требуется применение радиотехнических систем коррекции (системы сотовой связи, радиотехнические системы дальней навигации (спутниковые радионавигационные системы (СРНС) (ГЛОНАСС/GPS), системы «Чайка» и «LORAN-C»).

Навигационные системы ПНО включают в свой состав:

1.                  Измерители автономной системы;

2.                  Радиотехнические системы коррекции;

3.                  Вычислительное устройство;

4.                  Устройство индикации.

Основными для навигационных систем являются следующие режимы работы: автономный и автономный с коррекцией от СРНС. Наиболее подходящим режимом работы является автономный с коррекцией от СРНС (инерциальная навигационная система + спутниковая радионавигационная система) [1].

Однако, применение СРНС затруднительно в густо застроенных городских кварталах, карьерах, подземных парковках, поэтому в данных условиях целесообразно применение систем сотовой связи для повышения точности позиционирования. В зависимости от применяемой технологии позиционирования и стандарта сотовой сети возможно получение значений точности от 16 до 50 м. [2]. Применение систем сотовой связи в комбинации с СРНС не дает значительного уменьшения погрешностей позиционирования. По причинетого, что значения погрешностей, полученные при применении данных технологий в 10–100 раз больше, чем значения, полученные при применении спутниковых радионавигационных систем. Это проиллюстрировано в статье [3] и приведены соответствующие значения погрешностей при проведении моделирования. Применение систем сотовой связи в навигационных системах целесообразно лишь при пропадании сигналов от СРНС посредством использования адаптивных алгоритмов обработки информации в ЭВМ навигационной системы.

Наиболее перспективным для навигационных систем ПНО можно считать следующий состав [4], представленный на рисунке 1.

В качестве дополнительных возможно применение таких датчиков, как барометрический высотомер который позволяет обеспечить целостность информации СРНС [5], доплеровский измеритель скорости, механический датчик скорости и т. д. Введение дополнительных датчиков возможно при более жестких требованиях к данным системам.

Представленный на рисунке 1 состав навигационной системе в настоящее время не применяется. Наиболее близкими по составу являются системы следующих производителей: ООО «ТеКнол», Концерн «Созвездие», ОАО НВП «ПРОТЕК».

Точность и эффективность работы навигационных систем (НС) зависит так же от их целостности. Для обеспечения целостности в основном применяется обнаружение отказавших элементов, исключение их из структуры и восстановление работоспособности НС путем аппаратурной или информационной реконфигурации [6].

Контроль целостности НС можно производить как при первичной, так и при вторичной обработке информации в навигационных комплексах. Под первичной обработкой информации в НС понимают поиск, обнаружение, селекцию, преобразование и усиление входных сигналов измерителей для определения параметров. При первичной обработке информации контроль производится в НС имеющих несколько уровней иерархии и содержащих бортовую вычислительную систему (БВС), способную обеспечить внутреннюю реконфигурацию структуры информационной системы при решении различных задач и в случаях отказов или повреждений ее отдельных устройств и систем [7]. Основная особенность контроля целостности в данном случае — это сложность и громоздкость вычислений из-за нелинейного вида векторов состояния и наблюдения, используемого при разработке алгоритмов обработки информации.

Под вторичной обработкой информации понимают выполняемую в специализированных вычислителях или бортовых цифровых вычислительных машинах (БЦВМ) обработку выходных сигналов измерителей для определения навигационных элементов. Алгоритмы контроля при вторичной обработке применяются только к отдельным элементам НС и основаны на использовании нейросетевых методов [8,9] и нелинейной многоальтернативной фильтрации, предполагающей использование банка фильтров Калмана.

Так как в настоящее время в навигационных системах при вторичной обработке информации применяются оптимальные алгоритмы оценивания, базирующиеся на дифференциальных или разностных уравнениях, полученных на основе методов калмановской фильтрации, то разработка адаптивных алгоритмов обработки информации должна производиться с использованием метода реконфигурации, суть которого состоит в том, что контролируемый сигнал проходит через банк фильтров (моделей), каждый из которых основан на своей определенной гипотезе относительно характера возможных изменений. Решающий механизм по сути основан на отыскании того фильтра, на выходе которого обновления минимальны, а вероятность соответствующей гипотезы максимальна [10]. В качестве банка фильтров будет использоваться банк фильтров Калмана.

Таким образом, можно выделить следующие направления в развитии НС для ПНО:

1.         Совершенствование устройств и систем, входящих в систему навигации для ПНО. Данное направление реализовано в создании систем с более чувствительными элементами (лазерный и волоконно-оптический гироскопы, кварцевые акселерометры), которые повышают точность работы систем навигации, как в автономном, так и в режиме коррекции от СРНС;

2.         Внедрение нового программного обеспечения — создание алгоритмов обработки информации, основанных на фильтре Калмана–Бьюси [11, 12] и адаптивных алгоритмов, основанных на применении банка фильтров Калмана — Бьюси;

3.         Введение новых устройств и систем. Это достигается за счет интеграции комплексов с системами сотовой связи, что позволяет увеличить точность местоопределения и устранить “мертвые зоны”.

Литература:

1.                             Сурков В. О. Навигационные системы подвижных наземных объектов и их характеристики/ В. О. Сурков// Магистратура ТГТУ. — 2012. — № 27. — С. 105–109.

2.                             Сурков В. О. Точности определения местоположения подвижных наземных объектов в сотовых сетях GSM и UMTS / В. О. Сурков // Молодой ученый. — 2013. — № 6. — С. 147–150.

3.                             Иванов, А. В. Совместная обработка информации спутниковых радионавигационных систем и наземных сетевых систем в навигационных системах подвижных наземных объектов / Иванов А. В., Гостев А. В., Семенов А. А., Соколовская Л. В. / Радиотехника. — Москва, № 4, с.16–19.

4.                             Сурков В. О. Анализ состава существующих систем навигации для подвижных наземных объектов и выбор наиболее перспективного состава, исходя из требований точности и надежности / В. О. Сурков // Современные тенденции технических наук: материалы II междунар. науч. конф. (г. Уфа, май 2013 г.). — Уфа: Лето, 2013. — С. 20–24.

5.                             Иванов, А. В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения / А. В. Иванов. — 2011 // Радиотехника /. — 2010. — N 12. — С. 15–25.

6.                             Дмитриев С. П., Колесов Н. В., Осипов А. В. Информационная надежность, контроль и диагностирование навигационных систем. — СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003 г., 207 С

7.                             Бунин А. В. Алгоритмы совместного обнаружения и оценивания сигналов спутниковых радионавигационных систем в навигационно-посадочном комплексе / А. В. Бунин, А. В. Иванов // Сборник НТМ / Тамбовский ВАИИ. — 2002. — № 15. — С. 35–45.

8.                             Деева А. С. Контроль и диагностика избыточной инерциальной навигационной системы / А.С Деева, А.Г Щипицын //Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». — 2007. -Вып. 5, № 7(79). — С. 12–17.

9.                             Деева А. С. Методы контроля и диагностики информационных нарушений инерциальных навигационных систем/ А.С Деева, А.Г Щипицын //Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». — 2010. -Вып. 11, № 2. — С. 12–17.

10.                         Бассвиль М., Вилски А., Банвенист А. и др. Обнаружение изменения свойств сигналов и динамических систем. М.: Мир, 1989.

11.                         Иванов, А. В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2010, № 5.

12.                         Иванов, А. В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения / А. В. Иванов // Радиотехника. — 2010, № 12.